内部热耦合精馏塔的非线性模型预测控制系统及方法

摘要

一种内部热耦合精馏塔的非线性模型预测控制系统，包括与内部热耦合精馏塔直接连接的现场智能仪表、用于存放历史数据的数据库及上位机，所述现场智能仪表、数据库及上位机依次相连，所述的上位机包括用以运用非线性动态优化在线运算得到当前时刻控制变量的输出值的非线性模型预测控制器，所述非线性模型预测控制器包括组分推断模块、非线性模型模型预测控制模块。本发明较传统PID等控制系统，不仅实现了对两端组分的平稳操作，并且具有更好的动态控制效果。

主权项

1.一种内部热耦合精馏塔的非线性模型预测控制系统，包括与内部热耦合精馏塔直接连接的现场智能仪表、用于存放历史数据的数据库及上位机，所述现场智能仪表、数据库及上位机依次相连，其特征在于：所述的上位机包括非线性模型预测控制器，所述的非线性模型预测控制器包括：组分推断模块：用于依据检测得到的温度与压强数据推断组分，其算式为(1)、(2)：$Y_1=\frac{\alpha }{\alpha -1}-\frac{{10}^{(a-\frac{b}{T_1+c})}}{(\alpha -1)P_r}---\left(1\right)$$\mathrm{Xn}=\frac{P_s\alpha }{{10}^{(a-\frac{T_n+c}{b})}(\alpha -1)}-\frac{1}{\alpha -1}---\left(2\right)$其中，Y₁为塔顶产品中的轻产品组分，X_n为塔底产品中的轻产品组分，P_r为精馏段压强，P_s为提馏段压强，T₁、T_n分别为塔顶、塔底温度，α为相对挥发度，a、b、c为安托尼常数；非线性模型预测控制模块，用于编写并储存用微分方程描述的内部热耦合精馏塔机理模型，并支持对关键过程参数进行在线调整，求解如下非线性动态优化命题：目标函数：$\underset{u(·)}{\min }J={\int }_t^{t+T_p}({\mu }_1{J}_1\left(e\right)+{\mu }_2{J}_2(z,x,u)+{\mu }_3{J}_3\left({\mathrm{Vu}}_{\mathrm{MV}}\right))\mathrm{d\tau }---\left(5\right)$约束条件：(3)0＝g(x(t)，z(t)，u(t)，p)    (4)u^LB≤u(τ)≤u^UB，$\forall \tau \in [t,t+T_c]---\left(6\right)$u(τ)＝u(t+T_c)，$\forall \tau \in [t,T_c,t+T_p]---\left(7\right)$x^LB≤x(τ)≤x^UB，$\forall \tau \in [t,t+T_p]---\left(8\right)$其中，T_p和T_c分别是预测时域和控制时域，目标值J由三部分组成，第一部分J₁表征将来预测输出与目标轨迹的偏差值，e为将来预测输出与目标轨迹的偏差值，J₂表征于过程对象输入输出相关的经济指标，x为微分变量，z为代数变量，u为控制变量，J₃表征控制变量的变化量Vu_MV，μ₁、μ₂、μ₃分别为权重系数，t为时间，τ为暂态时间变量，为微分变量x的一阶导数，p为过程参数，f表示微分方程组，g表示代数方程组；公式(3)是非线性过程模型，公式(4)是过程的初始状态，公式6)是控制变量的上下限约束，公式(7)假设控制变量的值在大于等于控制时域，小于等于预测时域的区域内保持不变，公式(8)是过程微分变量的上下限，在每个采样时刻，求解上述非线性动态优化命题，得到最优的控制变量的值，实现系统的在线滚动优化；在线滚动优化，运用非线性动态优化在线运算得到当前时刻的控制变量，进料热状况q(k)，精馏塔压强Pr(k)的值。